DE102018114828B3 - Kraftfahrzeuglenkung mit einem redundant ausgelegten Steuergerät - Google Patents

Kraftfahrzeuglenkung mit einem redundant ausgelegten Steuergerät Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein redundantes Steuergerät (5) für einen dreiphasigen Elektromotor (1) eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs aufweisend einen primären Steuerpfad (6) und einen sekundären Steuerpfad (7), wobei der primäre Steuerpfad (6) eine primäre Recheneinheit (10) und der sekundäre Steuerpfad (7) eine sekundäre Recheneinheit (11) aufweist, wobei der primäre Steuerpfad (6) mit einer ersten Phasenwindung des Elektromotors und der sekundäre Steuerpfad (7) mit einer zweiten Phasenwindung und einer dritten Phasenwindung zur Ansteuerung des Elektromotors verbunden sind, wobei jeder Phasenwindung ein einzelner Umrichter (12,13,14) zugeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein redundantes Steuergerät für ein Lenksystem eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, ein elektromechanisches Lenksystem und ein Steer-by-Wire-Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit einem solchen redundanten Steuergerät sowie ein Verfahren zur Bereitstellung eines Drehmomentes für ein Lenksystem eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 13.
  • Derzeit verfügbare EPS-Systeme sind „fail-silent“ ausgelegt, d. h. bei Erkennung einer Fehlfunktion (entweder im Datenverarbeitungssystem oder der Leistungselektronik) wird die Unterstützung der Servolenkung abgeschaltet, um einen unerwünschten Zustand, wie beispielsweise das Blockieren des Lenkrads, zu vermeiden. Bei Steer-by-Wire Lenkungen ist es ebenfalls bekannt, im Fehlerfall den Lenkaktuator abzuschalten und auf eine Rückfallebene zurückzugreifen. Dieser Ansatz ist für autonomes Fahren nicht geeignet. In einem autonomen Fahrmodus kann das Kraftfahrzeug mit Hilfe verschiedener Sensoren des Fahrerassistenzsystems die Umgebung des Kraftfahrzeugs erfassen und das Kraftfahrzeug durch Vorgabe vorbestimmter Werte vollkommen automatisch steuern. Für autonomes Fahren ist beispielsweise das Qualitätskriterium Automotive Safety Integrity Level (ASIL) vorgeschrieben, das eine bestimmte Ausfallsicherheit bzw. Verfügbarkeit der Lenkung gewährleistet. Um diesen höheren Sicherheitsanforderungen beim autonomen Fahren gerecht zu werden, werden redundante Konzepte vorgesch lagen.
  • Die Offenlegungsschrift DE 10 2015 104 850 A1 offenbart ein redundantes Konzept mit einen ersten Teilantrieb mit einer ersten Ansteuerelektronik, einem ersten Zwischenkreis, einer ersten Leistungsendstufe und einer ersten Wicklungsgruppe eines Motors und einen zweiten Teilantrieb mit einer zweiten Ansteuerelektronik, einem zweiten Zwischenkreis, einer zweiten Leistungsendstufe und einer zweiten Wicklungsgruppe des Motors, wobei eine galvanische Trennung zwischen der ersten und zweiten Ansteuerelektronik, dem ersten und zweiten Zwischenkreis, der ersten und zweiten Leistungsendstufe und der ersten und zweiten Wicklungsgruppe vorliegt. Durch eine galvanische Trennung wird eine größtmögliche Unabhängigkeit der einzelnen Antriebe sichergestellt. Hierdurch wird erreicht, dass ein Defekt sich nicht in mehreren Teilantrieben eines redundanten Antriebs ausbreiten kann und somit trotz Redundanz zu einem Totalausfall der Funktionsfähigkeit des elektrischen Lenksystems führt.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein redundantes Steuergerät zur Ansteuerung eines Elektromotors für ein Lenksystem eines Kraftfahrzeugs anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird von einem Steuergerät für ein Lenksystem eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1, von einem elektromechanischen Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11, von einem Steer-by-Wire-Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie von einem Verfahren zur Bereitstellung eines Drehmomentes für ein Lenksystem eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung genannt.
  • Demnach ist ein redundantes Steuergerät für einen dreiphasigen Elektromotor eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs aufweisend einen primären Steuerpfad und einen sekundären Steuerpfad vorgesehen, wobei der primäre Steuerpfad eine primäre Recheneinheit und der sekundäre Steuerpfad eine sekundäre Recheneinheit aufweist, und wobei der primäre Steuerpfad mit einer ersten Phasenwindung des Elektromotors und der sekundäre Steuerpfad mit einer zweiten und einer dritten Phasenwindung des Elektromotors zur Ansteuerung des Elektromotors verbunden sind, wobei jeder Phasenwindung ein einzelner Umrichter zugeordnet ist.
  • Das erfindungsgemäße Steuergerät stellt ein robustes Antriebskonzept dar, da bei einem Fehlerfall in einem der Steuerpfade der fehlerfreie Steuerpfad die Ansteuerung der zugeordneten Phasenwindungen vornimmt und somit mindestens ein Drittel des maximal zur Verfügung stehenden Motordrehmomentes zur Verfügung steht, das ausreicht um ein Sicherheitslenkmanöver vorzunehmen.
  • Bevorzugt ist die primäre Recheneinheit dazu eingerichtet, anhand des vom Fahrer in das Lenkrad eingebrachten Drehmoments und weiteren Eingangsgrößen ein Motor-Soll-Drehmoment zu berechnen und mittels einer primären Motorreglung anhand des Motor-Soll-Drehmomentes primäre Motorströme zum Betreiben der ersten Phasenwindung zu bestimmten und diese an den primären Umrichter weiterzugeben.
  • Es ist auch bevorzugt, wenn die sekundäre Recheneinheit dazu eingerichtet ist, anhand des vom Fahrer in das Lenkrad eingebrachten Drehmoments und weiteren Eingangsgrößen ein Motor-Soll-Drehmoment zu berechnen und mittels einer sekundären Motorreglung anhand des Motor-Soll-Drehmomentes sekundäre Motorströme zum Betreiben der zweiten und dritten Phasenwindung zu bestimmten und diese an zwei sekundäre Umrichter weiterzugeben.
  • Dabei umfassen die weiteren Eingangsgrößen bevorzugt wenigstens eine von folgenden Größen: Fahrzeuggeschwindigkeit, mittels eines Rotorlagesensors gemessene momentane Rotorposition, gemessenen Stromwerte in den Phasenwicklungen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform stehen die Signale der primären und sekundären Rotorlagesensoren und/oder der primären und sekundären Drehmomentsensoreinheiten jeweils sowohl der primären Recheneinheit als auch der sekundären Recheneinheit zur Verfügung. Dadurch kann die Redundanz erhöht werden.
  • Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn der primäre Steuerpfad an einen primären Kraftfahrzeug-Bus angeschlossen ist und der sekundäre Steuerpfad an einen vom primären Kraftfahrzeug-Bus getrennten sekundären Kraftfahrzeug-Bus angeschlossen ist. Auch dadurch wird die Redundanz der Steuerpfade weiter erhöht.
  • Vorzugsweise weisen der primäre Steuerpfad und der sekundäre Steuerpfad jeweils eine externe Stromversorgung zur Erhöhung der Redundanz auf.
  • Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die primäre und sekundäre Recheneinheit ein MCU ist.
  • in einer vorteilhaften Ausführungsform ist die sekundäre Recheneinheit als Hauptrecheneinheit ausgebildet, die im fehlerfreien Zustand des Steuergerätes dazu eingerichtet ist, die Motor-Soll-Drehmomente und deren Verteilung auf die drei Umrichter zur Ansteuerung der drei Phasenwicklungen zu berechnen. Dies hat den Vorteil, dass dadurch die primäre Recheneinheit kleiner und somit kostengünstiger ausgestaltet sein kann.
  • Es kann ein Schalter vorgesehen sein, der zwischen der primären Recheneinheit und einem der sekundären Umrichter angeordnet ist und der derart ausgestaltet ist, im Fehlerfall des sekundären Steuerpfades die primäre Recheneinheit mit dem sekundären Umrichter zu verbinden. Die Leistung des Elektromotors kann dadurch im Fehlerfall erhöht werden.
  • Weiterhin ist ein elektromechanisches Lenksystem für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, aufweisend
    • • ein mit einer unteren Lenkwelle verbundenes Lenkritzel, welches mit einer in einem Gehäuse entlang einer Längsachse verschieblich gelagerten Zahnstange zur Lenkung von Rädern in Eingriff steht,
    • • einen dreiphasigen Elektromotor zur Lenkkraftunterstützung,
    • • zwei Drehmomentsensoren, die zwischen einer mit dem Lenkrad verbundenen oberen Lenkwelle und der unteren Lenkwelle angeordnet ist und ein vom Fahrer eingebrachtes Drehmoment erfassen, und
    • • eine elektronische Steuereinheit zur Berechnung der Lenkkraftunterstützung durch den dreiphasigen Elektromotor, die ein zuvor beschriebenes redundantes Steuergerät umfasst.
  • Zudem ist ein Steer-by-Wire-Lenksystem für Kraftfahrzeuge mit einem auf die gelenkten Räder wirkenden, in Abhängigkeit von einem Fahrerlenkwunsch elektronisch geregelten Lenksteller, der mittels eines Lenkgetriebes auf die gelenkten Räder wirkt, und mit einem Rückwirkungen der Straße auf ein Lenkrad übertragenden Feedback-Aktuator, vorgesehen, wobei der Lenksteller ein zuvor beschriebenes redundantes Steuergerät umfasst.
  • Auch ist ein Verfahren zur Bereitstellung eines Drehmomentes für ein Lenksystem eines Kraftfahrzeuges aufweisend einen dreiphasigen Elektromotor und eine elektronische Steuereinheit zur Berechnung des vom Elektromotor aufzubringenden Drehmomentes vorgesehen, wobei die elektronische Steuereinheit ein redundantes Steuergerät mit einem primären Steuerpfad und einem sekundären Steuerpfad umfasst, und der primäre Steuerpfad eine primäre Recheneinheit und der sekundäre Steuerpfad eine sekundäre Recheneinheit aufweist, und der primäre Steuerpfad mit einer ersten Phasenwindung des Elektromotors und der sekundäre Steuerpfad mit einer zweiten und einer dritten Phasenwindung zur Ansteuerung des Elektromotors verbunden sind, wobei jeder Phasenwindung ein einzelner Umrichter zugeordnet ist, und das Verfahren folgende Schritte aufweist:
    • • Berechnen der Motor-Soll-Drehmomente zur Ansteuerung aller drei Phasenwindungen in der sekundären Recheneinheit,
    • • Weitergabe der Motor-Soll-Drehmomente an eine primäre Motorregelung der primären Recheneinheit,
    • • Bestimmen von primären Motorströmen zum Betreiben der ersten Phasenwindung in der primären Motorreglung,
    • • Bestimmen von sekundären Motorströmen zum Betreiben der zweiten und dritten Phasenwindung in einer sekundären Motorreglung der sekundären Recheneinheit,
    • • Detektieren eines Fehlerzustandes in einem der Steuerpfade,
    • • Abschalten der Lenkkraftunterstützung des fehlerbehafteten Steuerpfades.
  • Vorzugsweise weist das Verfahren folgende weitere Schritte auf:
    • • Detektieren eines Fehlers in dem sekundären Steuerpfad,
    • • Berechnen des Motor-Soll-Drehmoments zur Ansteuerung der primären Phasenwindungen in der primären Recheneinheit.
  • Bevorzugt berechnet die sekundäre Recheneinheit anhand des vom Fahrer in das Lenkrad eingebrachten Drehmoments und weiteren Eingangsgrößen die Motor-Soll-Drehmomente.
  • Die weiteren Eingangsgrößen umfassen dabei vorzugsweise wenigstens eine von folgenden Größen: Fahrzeuggeschwindigkeit, mittels eines Rotorlagesensors gemessene momentane Rotorposition, gemessenen Stromwerte in den Phasenwicklungen.
  • Zur Erhöhung der Redundanz stehen die Signale der primären und sekundären Rotorlagesensoren und/oder der primären und sekundären Drehmomentsensoreinheiten bevorzugt jeweils sowohl der primären Recheneinheit als auch der sekundären Recheneinheit zur Verfügung.
  • Vorzugsweise empfängt der primäre Steuerpfad Daten von einem primären Kraftfahrzeug-Bus und der sekundäre Steuerpfad Daten von einem vom primären Kraftfahrzeug-Bus getrennten sekundären Kraftfahrzeug-Bus, um die Redundanz der beiden Pfade zu erhöhen.
  • Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass der primäre Steuerpfad und der sekundäre Steuerpfad jeweils an eine externe Stromversorgung angeschlossen sind.
  • Vorzugsweise ist die primäre und sekundäre Recheneinheit ein MCU.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Elektromotors 1 einer Kraftfahrzeuglenkung. Der Elektromotor 1 weist drei Phasenwindungen 2,3,4 und einen Permanentmagnet-Rotor auf. Die Phasenwindungen 2,3,4 des Elektromotors werden von einer Steuereinheit angesteuert. Die Steuereinheit umfasst ein Steuergerät 5 (ECU). Das Steuergerät 5 ist redundant ausgelegt und weist einen primären Steuerpfad 6 und einen sekundären Steuerpfad 7 auf. Der primäre Steuerpfad 6 und der sekundäre Steuerpfad 7 weisen bevorzugt jeweils eine Stromversorgung 8,9 eine Recheneinheit 10,11, wenigstens einen Umrichter 12,13,14 und die notwendigen Sensoren 15,16 (Drehmoment, Phasenstrom und Rotorlage) auf. Dabei sind die Module des primären Steuerpfades 6 im Folgenden als „primäre“ Module und die Module des sekundären Steuerpfades 7 als „sekundäre“ Module benannt. Unter den Begrifflichkeiten „primär“ und „sekundär“ ist nicht zwangsläufig zu verstehen, dass es eine Gewichtung zwischen den Modulen gibt. Die Module können sowohl gleich als auch unterschiedlich ausgebildet sein.
  • Der primären Steuerpfad 6 bestromt eine einzelne Phasenwindung 2 und der sekundäre Steuerpfad 7 zwei der drei Phasenwindungen 3,4. Es sind im ganzen drei Umrichter 12,13,14 vorgesehen, die jeweils eine der drei Phasenwindungen 2,3,4 erregen und entsprechend ihrer Zuordnung zu den Phasen von der primären Recheneinheit 10 oder sekundären Recheneinheit 11 angesteuert werden. Die Spannungsumrichter 12,13,14 haben bevorzugt jeweils einen Gleichspannungs-Zwischenkreis, in dem zur Stabilisierung der Gleichspannung jeweils ein Zwischenkreiskondensator vorgesehen ist, um gemeinsam verursachte Ausfälle z. B. durch Kurzschluss eines Kondensators zu vermeiden.
  • Jeder Steuerpfad 6,7 weist die externe Stromversorgung 8,9, vorzugsweise eine Batterie, auf. Die primäre und sekundäre Recheneinheit 10,11 ist bevorzugt ein Mikrokontroller (MCU). Die primäre und sekundäre Recheneinheit 10,11 empfängt das vom Fahrer in das Lenkrad eingebrachte Drehmoment, das jeweils von einer zugeordneten primären und einer sekundären Drehmomentsensoreinheit 15,16 gemessen wurde. Weiterhin sind die primäre und sekundäre Recheneinheit 10,11 jeweils an einen separaten Kraftfahrzeug-Bus 17,18 angeschlossen, über den die Recheneinheit 10,11 Datensignale empfängt. Die primäre und sekundäre Recheneinheit 10,11 berechnet anhand des vom Fahrer in das Lenkrad eingebrachten Drehmoments 15,16 und weiteren Eingangsgrößen, wie zum Beispiel die über den jeweiligen Kraftfahrzeug-Bus 17,18 gesendete Fahrzeuggeschwindigkeit v und Messsignale vom Elektromotor, wie beispielsweise der mittels des primären und sekundären Rotorlagesensors 15,16 gemessenen momentanen Rotorposition und/oder gemessene Stromwerte in den Phasenwicklungen, das jeweilige Motor-Soll-Drehmoment. Das Motor-Soll-Drehmoment wird dabei mittels eines Algorithmus berechnet, der beispielsweise eine sogenannte boost curve oder einen Lenksäulendrehmomentsteuerungsalgorithmus (engl. column torque control algorithms) umfasst. Das primäre Motor-Soll-Drehmoment wird an eine primäre Motorregelung der primären Recheneinheit 10 weitergegeben, die daraus die primären Motorströme mittels PWM bestimmt. Das sekundäre Motor-Soll-Drehmoment wird entsprechend an eine sekundäre Motorregelung der sekundären Recheneinheit 11 weitergegeben, die daraus die sekundären Motorströme mittels Pulsweitenmodulation (PWM) bestimmt. Dem primären Steuerpfad 6 ist ein primärer Umrichter 12 zugeordnet, der mittels der primären Motorströme pulsweitenmoduliert angesteuert wird. Der sekundäre Steuerpfad 7 weist hingegen zwei sekundäre Umrichter 13,14 auf, die jeweils mittels der sekundären Motorströme pulsweitenmoduliert angesteuert werden. Die Umrichter 12,13,14 bestehen im Allgemeinen aus halbleiterbasierten Schaltern, die in der erforderlichen Topologie verschaltet sind. Die am häufigsten eingesetzten elektronischen Schalter sind Bipolartransistoren mit isolierter Steuerelektrode (engl. Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)) oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (engl. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)). Diese Halbleiterschalter werden über sogenannte Gate-Treiber (engl. Gate-Driver Units (GDU)) angesteuert. Da die Umrichter 12,13,14 jeweils einer Phasenwindungen des Elektromotors 2,3,4 zugeordnet sind, wird eine erste Phasenwindungen 2 mit dem primären Motorstrom mittels des primären Umrichters 12 und die zweite und dritte Phasenwindungen 3,4 jeweils mit dem sekundären Motorstrom mittels dem entsprechenden sekundären Umrichter 13,14 bestromt, woraus ein gemeinsames Drehmoment des Elektromotors resultiert. Dieses Drehmoment steht dem Fahrer in elektromechanischen Lenkungen als Lenkunterstützung oder zum Lenken in Steer-by-Wire Lenkungen zur Verfügung.
  • Die Signale der primären und sekundären Rotorlagesensoren 15,16 und der primären und sekundären Drehmomentsensoreinheiten 15,16 stehen jeweils sowohl der primären als auch sekundären Recheneinheit 10,11 zur Verfügung.
  • Die Signale der beiden primären und entsprechend der beiden sekundären Sensoren 15,16 werden zur Verbesserung der Sicherheit verglichen und auf Fehler in dem Sensorpaar 15,16 hin überprüft. Das Ergebnis des Vergleichs kann dann noch mittels des jeweils anderen Sensorpaars 15,16 abgeglichen werden. Falls eine kritische Abweichung der gemessenen Signale erkannt wird, wird der Signaleingang des fehlerhaften Sensorpaares 15,16 verworfen und die Signale des fehlerfreien Sensorpaares 15,16 dienen ausschließlich als Eingangssignal für die beiden Recheneinheiten 10 ,11.
  • Zur Erhöhung der Sensorgenauigkeit kann im fehlerfreien Zustand der Mittelwert der gemessenen Sensorwerte zur Verwendung in der primären und sekundären Recheneinheiten 10,11 berechnet werden.
  • Da beide Sensorpaare 15,16 jeweils mit der primären als auch sekundären Recheneinheit 10,11 verbunden sind, steht auch im Fehlerfall eines der Sensorpaare 15,16 für die Steuereinheit zur Verfügung, wobei mittels des fehlerfreien Sensorpaars 15,16 100% der Nennleistung des Elektromotors erreicht werden können.
  • Beide Steuerpfade 6,7 sind jeweils als „fail-silent“ ausgelegt, d. h. jeder Steuerpfad kann eine eigene Fehlfunktion oder einen Fehlzustand feststellen und die Drehmomenterzeugung durch die entsprechende(n) Phasenwindung(en) abschalten. Dies wird typischerweise durch Kombination eines ASIL-D-Mikrocontrollers mit verschiedenen Plausibilitätsprüfungen und einer Hardwarearchitektur erreicht, die in der Lage ist, die Phasenwindungen im Falle eines Fehlers (z. B. durch Phasenrelais) von dem Steuergerät zu trennen.
  • Die beiden Steuerpfade 6,7 sind so ausgestaltet, dass die beiden Steuerpfade 6,7 zumindest soweit voneinander unabhängig sind, dass ein Fehler in einer Hardwarekomponente eines Steuerpfades nicht zu einer Fehlerkaskade in einer Hardwarekomponente in dem anderen Steuerpfad führt, wobei die Trennung der beiden Steuerpfade beispielsweise durch festzugeordnete Stromleitungen und Masseleitungen, Isolation von Steuerpfaden und dergleichen erfolgen kann. Die Software der Steuerpfade ist jeweils so ausgelegt, dass sie sowohl Fehler in der Hardware als auch in der Software selbst innerhalb eines Steuerpfades erkennt und eine Unterbrechung oder Abschaltung des fehlerhaften Pfades herbeiführt. Für diesen Fall ist die Software so programmiert, dass der fehlerfreie Steuerpfad ein Drehmoment bereitstellen kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die sekundäre Recheneinheit 11 als Hauptrecheneinheit fungiert und im fehlerfreien Zustand die Motor-Soll-Drehmomente und deren Verteilung auf die drei Umrichter 12,13,14 zur Ansteuerung der drei Phasenwicklungen 2,3,4 berechnet. Die Verteilung erfolgt entsprechend der durch die Umrichter 12,13,14 zur Verfügung stehenden Kapazitäten, die beispielsweise abhängig sind von der Temperatur. Die sekundäre Recheneinheit 11 steuert bevorzugt zwei Umrichter 13,14 an und die primäre Recheneinheit 10 einen einzigen Umrichter 12.
  • Da die Steuerpfade 6,7 redundant ausgelegt sind, kann das Steuergerät auch bei einer Fehlfunktion eines der Hardwarekomponenten ein Drehmoment bereitstellen.
  • In dem Fall, dass die primäre Recheneinheit 10 ausfällt, stehen zwei Drittel des nominalen Drehmoments zur Verfügung. Kommt es hingegen zu einem Fehler in dem primären Steuerpfad 6, der nicht erkannt wird, kann bis zu einem Drittel des maximalen Drehmoments als passives Sperrmoment vorhanden sein, das dem von den beiden fehlerfrei funktionierenden Umrichtern 13,14 erzeugten Drehmoment entgegenwirkt, so dass insgesamt mindestens ein Drittel des nominalen Drehmomentes zur Verfügung steht. Fehler in dem primären Steuerpfad 6 werden daher als Mehrfachfehler (engl. multiple points faults) gewertet, da es nur durch einen zusätzlichen Fehler zu einem gefährlichen Ausfall des Steuergerätes kommen kann.
  • Kommt es zu einem Fehler in dem sekundären Steuerpfad 7, muss dieser hingegen detektiert werden, denn der sekundäre Steuerpfad 7 übernimmt zum einen die Berechnung der Motor-Soll-Drehmomente und deren Verteilung auf die Phasenwindungen und zum anderen stellt der sekundäre Steuerpfad 7 zwei Drittel des Drehmomentes bereit. Wird ein solcher Fehler erkannt, übernimmt die primäre Recheneinheit 10 die Berechnung des Motorstroms für den primären Umrichter 12 zur Ansteuerung der entsprechenden Phasenwindung 2 mit einem Drittel des maximal zur Verfügung stehenden Motordrehmomentes.
  • Für den Fall, dass ein Drittel des Drehmomentes nicht zum Erreichen eines benötigten Drehmomentes ausreicht, ist vorzugsweise ein Schalter 19 vorgesehen, der zwischen der primären Recheneinheit 10 und einem der sekundären Umrichter 13 angeordnet ist und somit einen der sekundären Umrichter 13 der primären Recheneinheit 10 im Fehlerfall zuordnet. Dieser sekundäre Umrichter 13 kann dann von der primären Recheneinheit 10 bei einem Fehler im sekundären Steuerpfad 7 angesteuert werden, damit die dem Umrichter 13 zugeordnete Phasenwindung 3 bestromt werden kann, so dass auch in diesem Fehlerfall zwei Drittel des nominalen Drehmomentes zur Verfügung stehen.
  • Die Architektur des Steuergerätes 5 ist so aufgebaut, dass ein erster Fehler nicht zum Ausfall der Lenkung und zu einer Gefährdung des Fahrers führt. Dieser erste Fehler muss aber in der Sicherheitsanalyse betrachtet werden. Auftretende Fehler werden daher ausgelesen und deren Vorliegen an das Fahrzeug weitergegeben und/oder dem Fahrer signalisiert, so dass ein Notfall-Manöver eingeleitet werden kann. Zwar ist das Fahrzeug nach dem ersten Fehler in dem Steuergerät 5 weiterhin steuerbar, aber ein weiterer Fehler würde schwerwiegende Folgen haben. Daher darf ein erster Fehler nicht als latent eingestuft werden.
  • Es wird eine quantitative induktive Sicherheitsanalyse in Form einer FMEDA (Failure Mode Effect and Diagnostic Analysis) erstellt, mit der das Sicherheitskonzept eines Fahrzeugsystems bewertbar und vergleichbar wird. Als Ergebnisse einer FMEDA sind Kennzahlen zum Diagonosedeckungsgrad (Diagnose Coverage DC), zum Anteil sicherer Fehler (Safe Failure Fraction SFF), zu Hardwarearchitekturmetriken (Single-Point Fault Metric SPFM, Latent Fault Metric LFM) und zur Fehlerwahrscheinlichkeit, dass ein Sicherheitsziel verletzt wird (Probabilistic Metric for random Hardware Failure PMHF) angegeben.
  • Für den Fall, dass die Leistung des Elektromotors richtig ausgelegt ist und die Systemannahmen stimmen, können so alle Fehler im Elektromotor als Mehrfachfehler eingestuft werden, wodurch ein höheres Sicherheitslevel erreicht wird.
  • Die beiden externen Stromversorgungen sind bevorzugt unabhängig voneinander und versorgen jeweils ein Sensorpaar und eine entsprechende Recheneinheit mit Strom. Um einen gemeinsamen Ausfall (Kurzschluss) auf der Seite des Aktuators zu vermeiden, ist der primäre Umrichter 12 an die primäre Stromversorgung 8 angeschlossen und die sekundären Umrichter 13,14 sind an die sekundäre Stromversorgung 9 angeschlossen. In dem Fall das eine Stromversorgung 8,9 fehlerbehaftet ist, steht der durch die andere Stromversorgung 8,9 bestromte Teil des Aktuators zur Drehmomenterzeugung zur Verfügung, d. h. im schlimmsten Fall stehen nur ein Drittel der maximalen Motorleistung zur Verfügung. Falls das nicht ausreichend ist, kann in einem zusätzlichen Schaltkreis ein Schalter vorgesehen sein, der einen der zwei Umrichter des sekundären Steuerpfades 13,14 mit der primären Stromversorgung 8 im Fehlerfall des sekundären Steuerpfades 7 verbindet, analog zu dem oben beschriebenen zusätzlichen Schalter 19 zum Verbinden der primären Recheneinheit 10 mit einem der sekundären Umrichter 13.
  • Das beschriebene Steuergerät ist auch in einer Lenkung eines vollkommen autonom fahrenden Kraftfahrzeuges ohne Lenkmittel einsetzbar. In diesem Fall fließen jedoch nicht am Lenkrad gemessene Drehmomente in die Recheneinheiten 10,11 zur Berechnung der jeweiligen Motor-Soll-Drehmomente ein. Die Motor-Soll-Drehmomente werden anhand von über den Kraftfahrzeug-Bus 17,18 empfangenen Signale mit vorgegebenen Schnittstellenspezifikationen, z. B. Soll-Lenkwinkel, Getriebebewegung, Ritzelwinkel, Soll-Drehmoment, Soll-Fahrzeugtrajektorie in relativen oder absoluten Fahrzeugkoordinaten, bestimmt. Es sind dabei bevorzugt zwei unabhängige Kommunikationskanäle für den Regelkreis des Steuergerätes vorgesehen, die jeweils einer Recheneinheit zugeordnet sind und die die notwendigen Kontrollsignale übermitteln. In dem Fall das einer der Kommunikationskanäle einen Fehler aufweist, wird der entsprechende Steuerpfad abgeschaltet und der fehlerfreie Steuerpfad steuert den Motor mit einem reduzierten maximal möglichen Motordrehmoment an.
  • Die allgemein beschriebene redundante Architektur des Steuergerätes erzielt eine Ausfallrate, die kleiner ist als 10 FIT (Failure in Time). Die Ausfallrate ist eine Kenngröße der Zuverlässigkeit des Hardwareelements. Sie gibt in diesem Fall an, dass durchschnittlich weniger als 10 Steuergeräte in 109 Betriebsstunden ausfallen. Das erfindungsgemäße Steuergerät ist daher insbesondere für Fahrmodi SAE L3-L5, bei dem das System die Umgebung kontrolliert und eine bedingte bis vollständige ausgebildete Automation vorliegt, geeignet.

Claims (20)

  1. Redundantes Steuergerät (5) für einen dreiphasigen Elektromotor (1) eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs aufweisend einen primären Steuerpfad (6) und einen sekundären Steuerpfad (7), wobei der primäre Steuerpfad (6) eine primäre Recheneinheit (10) und der sekundäre Steuerpfad (7) eine sekundäre Recheneinheit (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Steuerpfad (6) mit einer ersten Phasenwindung des Elektromotors (2) und der sekundäre Steuerpfad (7) mit einer zweiten und einer dritten Phasenwindung des Elektromotors (3,4) zur Ansteuerung des Elektromotors verbunden sind, wobei jeder Phasenwindung (2,3,4) ein einzelner Umrichter (12,13,14) zugeordnet ist.
  2. Redundantes Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Recheneinheit (10) dazu eingerichtet ist, anhand des vom Fahrer in das Lenkrad eingebrachten Drehmoments (15) und weiteren Eingangsgrößen das Motor-Soll-Drehmoment zu berechnen und mittels einer primären Motorreglung anhand des Motor-Soll-Drehmomentes primäre Motorströme zum Betreiben der ersten Phasenwindung (2) zu bestimmten und diese an den primären Umrichter (12) weiterzugeben.
  3. Redundantes Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Recheneinheit (11) dazu eingerichtet ist, anhand des vom Fahrer in das Lenkrad eingebrachten Drehmoments (16) und weiteren Eingangsgrößen das Motor-Soll-Drehmoment zu berechnen und mittels einer sekundären Motorreglung anhand des Motor-Soll-Drehmomentes sekundäre Motorströme zum Betreiben der zweiten und dritten Phasenwindung (3,4) zu bestimmten und diese an zwei sekundäre Umrichter (13,14) weiterzugeben.
  4. Redundantes Steuergerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Eingangsgrößen wenigstens eine von folgenden Größen umfasst: Fahrzeuggeschwindigkeit (v), mittels eines Rotorlagesensors (15,16) gemessene momentane Rotorposition, gemessenen Stromwerte in den Phasenwicklungen.
  5. Redundantes Steuergerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der primären und sekundären Rotorlagesensoren (15,16) und/oder der primären und sekundären Drehmomentsensoreinheiten (15,16) jeweils sowohl der primären Recheneinheit (10) als auch der sekundären Recheneinheit (11) zur Verfügung stehen.
  6. Redundantes Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Steuerpfad (6) an einen primären Kraftfahrzeug-Bus (17) angeschlossen ist und der sekundäre Steuerpfad (7) an einen vom primären Kraftfahrzeug-Bus (17) getrennten sekundären Kraftfahrzeug-Bus (18) angeschlossen ist.
  7. Redundantes Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Steuerpfad (6) und der sekundäre Steuerpfad (7) jeweils eine externe Stromversorgung (8,9) aufweisen.
  8. Redundantes Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre und sekundäre Recheneinheit (10,11) ein MCU ist.
  9. Redundantes Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Recheneinheit (11) als Hauptrecheneinheit ausgebildet ist und im fehlerfreien Zustand des Steuergerätes (5) dazu eingerichtet ist, die Motor-Soll-Drehmomente und deren Verteilung auf die drei Umrichter (12,13,14) zur Ansteuerung der drei Phasenwindungen (2,3,4) zu berechnen.
  10. Redundantes Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalter (19) vorgesehen ist, der zwischen der primären Recheneinheit (10) und einem der sekundären Umrichter (13,14) angeordnet ist und der derart ausgestaltet ist, im Fehlerfall des sekundären Steuerpfades die primäre Recheneinheit (10) mit dem sekundären Umrichter (13,14) zu verbinden.
  11. Elektromechanisches Lenksystem für ein Kraftfahrzeug aufweisend • ein mit einer unteren Lenkwelle verbundenes Lenkritzel, welches mit einer in einem Gehäuse entlang einer Längsachse verschieblich gelagerten Zahnstange zur Lenkung von Rädern in Eingriff steht, • einen dreiphasigen Elektromotor zur Lenkkraftunterstützung, • zwei Drehmomentsensoren (15,16), die zwischen einer mit dem Lenkrad verbundenen oberen Lenkwelle und der unteren Lenkwelle angeordnet ist und ein vom Fahrer eingebrachtes Drehmoment erfassen, und • eine elektronische Steuereinheit zur Berechnung der Lenkkraftunterstützung, die ein redundantes Steuergerät (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
  12. Steer-by-Wire-Lenksystem für Kraftfahrzeuge mit einem auf die gelenkten Räder wirkenden, in Abhängigkeit von einem Fahrerlenkwunsch elektronisch geregelten Lenksteller, der mittels eines Lenkgetriebes auf die gelenkten Räder wirkt, mit einem Rückwirkungen der Straße auf ein Lenkrad übertragenden Feedback-Aktuator, wobei der Lenksteller ein redundantes Steuergerät (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10 umfasst.
  13. Verfahren zur Bereitstellung eines Drehmomentes für ein Lenksystem eines Kraftfahrzeuges aufweisend einen dreiphasigen Elektromotor und eine elektronische Steuereinheit zur Berechnung des vom Elektromotor aufzubringenden Drehmomentes, wobei die elektronische Steuereinheit ein redundantes Steuergerät (5) mit einem primären Steuerpfad (6) und einem sekundären Steuerpfad (7) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Steuerpfad (6) eine primäre Recheneinheit (10) und der sekundäre Steuerpfad (7) eine sekundäre Recheneinheit (11) aufweist, und der primäre Steuerpfad (6) mit einer ersten Phasenwindung des Elektromotors (2) und der sekundäre Steuerpfad (7) mit einer zweiten und einer dritten Phasenwindung des Elektromotors (3,4) zur Ansteuerung des Elektromotors verbunden sind, wobei jeder Phasenwindung (2,3,4) ein einzelner Umrichter (12,13,14) zugeordnet ist, und das Verfahren folgende Schritte aufweist: • Berechnen der Motor-Soll-Drehmomente zur Ansteuerung aller drei Phasenwindungen (2,3,4) in der sekundären Recheneinheit (11), • Weitergabe der Motor-Soll-Drehmomente an eine primäre Motorregelung der primären Recheneinheit (10), • Bestimmen von primären Motorströmen zum Betreiben der ersten Phasenwindung (12) in der primären Motorreglung, • Bestimmen von sekundären Motorströmen zum Betreiben der zweiten und dritten Phasenwindung (13,14) in einer sekundären Motorreglung der sekundären Recheneinheit (11), • Detektieren eines Fehlerzustandes in einem der Steuerpfade (6,7), • Abschalten der Lenkkraftunterstützung des fehlerbehafteten Steuerpfades (6,7).
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende weitere Schritte aufweist: • Detektieren eines Fehlers in dem sekundären Steuerpfad (7), • Berechnen des Motor-Soll-Drehmoments zur Ansteuerung der primären Phasenwindungen in der primären Recheneinheit (11).
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Recheneinheit (11) anhand des vom Fahrer in das Lenkrad eingebrachten Drehmoments (16) und weiteren Eingangsgrößen die Motor-Soll-Drehmomente berechnet.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Eingangsgrößen wenigstens eine von folgenden Größen umfasst: Fahrzeuggeschwindigkeit (v), mittels eines Rotorlagesensors (15,16) gemessene momentane Rotorposition, gemessenen Stromwerte in den Phasenwicklungen.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der primären und sekundären Rotorlagesensoren (15,16) und/oder der primären und sekundären Drehmomentsensoreinheiten (15,16) jeweils sowohl der primären Recheneinheit (10) als auch der sekundären Recheneinheit (11) zur Verfügung stehen.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Steuerpfad (6) Daten von einem primären Kraftfahrzeug-Bus (17) empfängt und der sekundäre Steuerpfad (7) Daten von einem vom primären Kraftfahrzeug-Bus (17) getrennten sekundären Kraftfahrzeug-Bus (18) empfängt.
  19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Steuerpfad (6) und der sekundäre Steuerpfad (7) jeweils an eine externe Stromversorgung (8,9) angeschlossen sind.
  20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre und sekundäre Recheneinheit (10,11) ein MCU ist.
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